Projeto e desenvolvimento de dispositivo didático para demonstração e medição de grandezas eletromagnéticas

Abstract

Atualmente, os dispositivos de conversão eletromecânica de energia que conhecemos, essencialmente, utilizam energia magnética, seja para fazer conversão de energia elétrica em energia mecânica ou conversão de energia mecânica em energia elétrica. O entendimento dos fenômenos eletromagnéticos envolvidos nos dispositivos de conversão eletromecânica de energia é essencial para formação de profissionais na área eletrotécnica. No âmbito de ensino, estudos mostram que o aprendizado e fixação dos conceitos são melhores quando alunos têm contato com experimentos práticos que permitem visualizar os conceitos teóricos abordados. Portanto, este trabalho tem a finalidade de desenvolver um dispositivo eletromagnético capaz de demonstrar experimentalmente propriedades, fenômenos e características magnéticas de forma clara e direta. O dispositivo foi projetado e um protótipo foi concebido e instrumentado de tal forma que seja possível realizar medições, tais como: força de atração magnética, densidade de fluxo magnético, indutância, fluxo magnético concatenado, tensão induzida etc. Fenômenos como saturação magnética também podem ser demonstrados. Neste trabalho, são apresentadas todas as etapas do projeto, o equacionamento teórico que envolve a determinação de diversas grandezas eletromagnéticas e simulação numérica utilizando o software de elementos finitos ANSYS®/Maxwell para fins de validação dos resultados experimentais.

Currently, well-known electromechanical energy conversion devices, essentially, employ magnetic energy, either to convert electric energy in mechanical energy or to convert mechanical energy to electrical energy. Acknowledgment of electromagnetic phenomena related to electromechanical energy conversion machines is indispensable in college journey of electrotechnical engineers and technicians. In the education field, there are researches demonstrating that learning and retention progressions are better achieved when students have contact with practical experiments that permit observation of taught theoretical concepts. Therefore, this document aims to present the development of an electromagnetic device capable of showing magnetic proprieties, phenomena and characteristics, experimentally, in a clear and straight manner. The device prototype was designed and instrumented in order to facilitate measurement of magnetic attraction force, magnetic flux density, inductance, magnetic flux linkage, induced voltage etc. Additionally, other phenomena as magnetic saturation, for example, can also be visualised. In this work, design process, theoretical equations that describe magnetic quantities, numerical simulations assisted by the finite elements software ANSYS®/Maxwell, and experimental results are presented to confirm the proposition.